風力機葉片翼型氣動性能對比與分析

于新青 何永玲* 黃芳武 吳 飛 胡 凱

(北部灣大學機械與船舶海洋工程學院1) 欽州 535011) (武漢理工大學交通學院2) 武漢 430063)(桂林電子科技大學機電工程學院3) 桂林 541004)

0 引 言

海上風電是可再生能源，具有風能資源穩(wěn)定、不占用土地、消納條件良好等獨特優(yōu)勢[1-2].風力機葉片是使風能轉(zhuǎn)化為機械能的主要構(gòu)件，直接關(guān)系到機組的風能利用效率和氣動載荷，決定著風力發(fā)電機組能量轉(zhuǎn)換效率.

葉片由翼型按照一定規(guī)律疊加而成，翼型的氣動特性直接影響風能利用效率.劉麗娜等[3]通過Profili與Fluent接口銜接方法，確定了翼型氣動模擬方案，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了風力機翼型建模與仿真一體化系統(tǒng).吳友健等[4]采用數(shù)值方法研究不同攻角時NACA4415翼型的氣動特性，利用ICEM對NACA4415翼型進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，計算結(jié)果表明在6°攻角時翼型存在最大升阻比，此時翼型的氣動性能最佳，對風能利用率最高.Andrew等[5]對比研究了多種不同翼型在低風速環(huán)境下的性能，發(fā)現(xiàn)NACA4412這種翼型在氣動噪聲和升阻特性等方面都具有明顯優(yōu)勢.代元軍等[6]通過對S型翼型繞流流場進行數(shù)值模擬，并對比其實測數(shù)據(jù)，最后證實了S翼型具有氣動性能良好的優(yōu)點.從上述研究中可以看出NACA翼型和S翼型都具有氣動性能良好的優(yōu)點.目前針對我國廣西北部灣海域探索性發(fā)展海上風電的現(xiàn)狀，不同翼型對此海域的適用性探索研究較少.

針對廣西北部灣海域在離岸20～40 n mile范圍內(nèi)，100 m高度年平均風速為6.8～7.5 m/s這一特定風速的條件下[7]，選擇目前低風速下有代表性的NACA4412和S1010這兩種翼型作為研究對象，分別針對這兩種翼型進行流動和氣動特性研究，并比較其在低風速環(huán)境下的性能表現(xiàn).

1 翼型氣體動力學模型

1.1 翼型氣動參數(shù)

在空氣的流場中，氣流速度快的區(qū)域壓力小，氣流速度慢的區(qū)域壓力大.當葉素與大氣存在相對運動時，氣流在葉素產(chǎn)生了升力dL和阻力dD，阻力與相對速度方向平行，升力與相對速度方向垂直.相對氣流方向與葉素翼型幾何弦的夾角稱為攻角，用α表示.

葉素上的升力為

(1)

葉素上的阻力為

(2)

式中：ρ為空氣的密度，kg/m3；ω為相對速度，m/s；c為幾何弦長，m；Cl為升力特征系數(shù)；dr為葉素的長度，m；Cd為阻力特征系數(shù).

Cl和Cd是描述翼型所受到的力的量綱—的量參數(shù)，其中升阻比Cl/Cd是衡量葉片翼型在不同環(huán)境中產(chǎn)生升力和阻力的能力的重要參數(shù).升阻比的值越大，說明翼型受到的升力越大，葉片翼型的氣動性能越好，葉片能夠更好地利用風能來提高發(fā)電效率.

2 控制方程和湍流模型

2.1 控制方程

對于低風速風力機繞流，流場中的密度變化很小，因此，可以假設(shè)其繞流流動為不可壓縮流動.此外，流場中溫度的變化不大，黏性系數(shù)隨溫度的變化可以忽略.邊界層流體分離和流體的粘性有關(guān)，因此在計算時不能忽略流體的粘性.故采用連續(xù)性方程和N-S不可壓縮方程作為數(shù)值模型的流場控制方程

(3)

(4)

(5)

式中：ρ為流體的密度；u為流體的速度；μ為流體黏度系數(shù).

2.2 湍流模型

由于本次計算為外流場模型，壁面附近非常重要，SSTk-ω模型對邊界層湍流和自由剪切湍流均有良好模擬效果，是理想的選擇，該湍流模型可以求解黏性子層，其運輸變量為湍動能k和比耗散率ω，運輸方程為

(6)

(7)

式中：Gk為湍動能；Gω為比耗散率，Gω由ω得出；Γω和Γk分別為k和ω的耗散項；Dω為交叉擴散項；Sk和Sω為原項.

3 翼型流場建模與網(wǎng)格劃分

3.1 翼型流場建模

本研究總體思路是通過Profili提取翼型數(shù)據(jù)，在ICEM中建立計算域，經(jīng)過網(wǎng)格劃分，最后導入Fluent中進行計算分析.整體框架圖見圖1.

圖1 整體框架圖

Profili軟件是專業(yè)翼型設(shè)計軟件，內(nèi)置翼型數(shù)據(jù)多達上千種，文中使用Profili翼型庫對這兩種翼型進行數(shù)據(jù)提取.通過Profili軟件數(shù)據(jù)庫得知NACA4412翼型最大厚度為12.02%，在30%的翼弦位置；最大曲面為4.00%，在40%的翼弦位置.S1010翼型最大厚度6.02%在23.3%的翼位置，最大曲面0.00%在0.0%的翼弦位置.

3.2 流場域的建立與網(wǎng)格劃分

根據(jù)模擬實際應(yīng)用，在Profili中選取NACA4412和S1010翼型，輸出dat格式翼型坐標點數(shù)據(jù).將整理好的翼型數(shù)據(jù)點導入ICEM中進行網(wǎng)格劃分，考慮到單個二維翼型幾何形狀較為簡單，故采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分.S1010翼型整體網(wǎng)格分布見圖2.

圖2 S1010整體網(wǎng)格劃分圖

將在ICEM中劃分好的網(wǎng)格導入Fluent中，并在其中將在邊界條件設(shè)置為速度入口和壓力出口.翼型壁面設(shè)置為絕熱無滑移壁面邊界.選用SST湍流模型，壓力-速度耦合采用Simplec算法，壓力項、湍流黏度項、動量項均采用二階迎風格式離散.在計算過程中打開殘差監(jiān)視器同時監(jiān)測升力系數(shù)、阻力系數(shù)，當殘差最大值小于并且所監(jiān)測的參數(shù)不隨迭代次數(shù)變化而改變，則認為計算收斂.通過改變風速的來流方向來實現(xiàn)攻角的變化.

4 升阻特性分析

4.1 翼型氣動特性分析

選取廣西北部灣海域在離岸20～40 nmile范圍內(nèi)，100 m高度年平均風速為6.8～7.5 m/s這一特定風速范圍，并在這一特定風速范圍下對兩種翼型特性進行分析對比.圖3～4分別為NACA4412翼型和S1010翼型在7 m/s風速下隨攻角α變化的速度云圖.

根據(jù)伯努利原理，流速大的區(qū)域形成負壓區(qū)，流速小的區(qū)域形成正壓區(qū).由圖3～4可知:隨著攻角的不斷增大，在0°～12°攻角范圍內(nèi)，翼型尾緣位置出現(xiàn)顯著的氣流分離，翼型上表面的逆壓梯度不斷向前緣移動，在翼型尾部區(qū)域的氣流已經(jīng)不再緊貼翼型表面來流動了，由層流附著流變?yōu)槲闪鲾U散流.

圖3 翼型NACA4412速度云圖

圖4 翼型S1010速度云圖

4.2 翼型升阻力系數(shù)計算及分析對比

為了研究在廣西北部灣海域這一特定風況下，攻角變化對翼型氣動性能的影響規(guī)律及其性能差異，選取6.5，7，7.5 m/s的低風速工況，對這兩種翼型在不同攻角下的升阻特性進行數(shù)值仿真，并對比分析其升阻比曲線.圖5為用Matlab曲線擬合得到的NACA4412翼型和S1010翼型模擬數(shù)據(jù)曲線，翼型的升阻比隨著攻角的增大呈先增大后減小的趨勢.由圖3～4可知:在小攻角工況下，氣流流經(jīng)翼型表面在翼型尾部還沒有發(fā)生分離，升阻比隨著攻角的增大呈上升趨勢；而在大攻角工況下，氣流在翼型尾部發(fā)生分離脫落現(xiàn)象愈加明顯，此時的升阻比呈下降趨勢.

圖5 不同翼型升阻比

由圖5可知:在6.5～7.5 m/s的風速范圍，這兩種翼型最大升阻比對應(yīng)的攻角變化不大，這說明在此風速區(qū)間，翼型最佳攻角比較穩(wěn)定.并且在此風速范圍條件下，兩種翼型在不同攻角下的升阻比變化規(guī)律不受風速變化的影響.分析這兩種翼型的在此風速范圍內(nèi)的最佳升阻比以及升阻比變化規(guī)律，NACA4412翼型的Cl/Cdmax為48.86，S1010翼型的Cl/Cdmax為30.26.通過對比發(fā)現(xiàn)相較于S1010翼型，NACA4412翼型的升阻特性較優(yōu).

4.3 數(shù)值擬合及數(shù)學模型

圖6為NACA4412翼型在7 m/s風速下計算所得的7個點坐標運用Matlab曲線擬合的圖形，通過Sum and Sine曲線擬合的方法，得到了升阻比曲線圖.

圖6 翼型NACA4412擬合升阻比曲線(7 m/s)

擬合升阻比曲線隨攻角0°～12°范圍內(nèi)的數(shù)學模型為

f(x)=48.1×sin(0.148 3×x+0.710 8)

(8)

圖7為S1010翼型在7 m/s風速下計算所得的7個點坐標運用Matlab曲線擬合的圖形，通過Custom Equation曲線擬合的方法，得到了升阻比曲線圖.

圖7 翼型S1010擬合升阻比曲線(7 m/s)

擬合升阻比曲線隨攻角0°～12°范圍內(nèi)的數(shù)學模型為

f(x)=30×sin(0.21×x+0.35)-

6.29×sin(0.71×x+7.89)-3.96

(9)

5 結(jié) 論

1)在廣西北部灣海域特定風速條件下NACA4412和S1010兩種翼型，兩種翼型在不同攻角下的升阻比變化規(guī)律基本不受風速變化的影響.

2)非對稱翼型NACA4412相較于S1010翼型在相同工況下的升阻比更大，驗證了NACA4412翼型更適用于廣西北部灣海域的風速環(huán)境.

3)通過仿真分析得，隨著攻角的增大，來流在兩種翼型尾緣發(fā)生流動分離，形成渦流，降低翼型的升阻特性；當攻角超過某一臨界值時就會出現(xiàn)失速現(xiàn)象，兩種翼型在攻角增大趨勢中都達到了最大升阻比，此時的氣動性能最好，對風能利用率最高.

4)通過Profili軟件進行翼型數(shù)據(jù)點獲取，將數(shù)據(jù)點導入ICEM中進行網(wǎng)格劃分，在Workbench中將ICEM和Fluent進行銜接，提高了翼型研究效率.